《電子技術(shù)應(yīng)用》
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核聚變受全世界高度重視:取之不盡 用之不竭

2016-12-13

如果我們能解決各種極為復(fù)雜的科學(xué)和工程問題,便能通過<a class=核聚變獲取清潔、安全、無窮無盡的能量了。圖為核聚變反應(yīng)堆中的等離子體。" width="340" height="184"/>  如果我們能解決各種極為復(fù)雜的科學(xué)和工程問題,便能通過核聚變獲取清潔、安全、無窮無盡的能量了。圖為核聚變反應(yīng)堆中的等離子體。

核聚變目前仍面臨著兩大挑戰(zhàn):一是如何延長反應(yīng)時間,二是怎樣的設(shè)備結(jié)構(gòu)才能將核聚變能量轉(zhuǎn)化為電力。由于核聚變無法先用微縮模型進(jìn)行研發(fā)、再成比例地放大,我們至少還要25年時間才能建成首座商用核聚變發(fā)電廠。  核聚變目前仍面臨著兩大挑戰(zhàn):一是如何延長反應(yīng)時間,二是怎樣的設(shè)備結(jié)構(gòu)才能將核聚變能量轉(zhuǎn)化為電力。由于核聚變無法先用微縮模型進(jìn)行研發(fā)、再成比例地放大,我們至少還要25年時間才能建成首座商用核聚變發(fā)電廠。

如今,國際科學(xué)界正聯(lián)手在巴黎建造一處規(guī)模巨大的核聚變研究機(jī)構(gòu),即國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆(簡稱ITER,在拉丁語中意為“路”),它可以產(chǎn)生5億瓦特的熱核聚變能量,每次時間長達(dá)8分鐘。  如今,國際科學(xué)界正聯(lián)手在巴黎建造一處規(guī)模巨大的核聚變研究機(jī)構(gòu),即國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆(簡稱ITER,在拉丁語中意為“路”),它可以產(chǎn)生5億瓦特的熱核聚變能量,每次時間長達(dá)8分鐘。

  據(jù)國外媒體報道,數(shù)百年以來,人類一直夢想著駕馭太陽能,為地球上的生命提供能量。但我們想實現(xiàn)的,不僅僅是利用太陽能,而是在地球上造出一個“迷你太陽”,也就是核聚變。

  如果我們能解決各種極為復(fù)雜的科學(xué)和工程問題,便能通過核聚變獲取清潔、安全、無窮無盡的能量了。只要每日從水中提取出一千克的氘(氫的一種同位素),產(chǎn)生的電量就足夠成千上萬個家庭使用。

  從上世紀(jì)50年代以來,科學(xué)與工程研究取得了巨大進(jìn)展,使我們朝著可持續(xù)的氫原子聚變反應(yīng)又近了一步。實驗產(chǎn)生的核聚變能量雖然很少,但也足以被測量出來了。但懷疑者和支持者都意識到,核聚變目前仍面臨著兩大挑戰(zhàn):一是如何延長反應(yīng)時間,二是怎樣的設(shè)備結(jié)構(gòu)才能將核聚變能量轉(zhuǎn)化為電力。

  普林斯頓等離子物理實驗室的核聚變研究人員指出,我們至少還要25年時間才能建成首座商用核聚變發(fā)電廠。但考慮到核聚變帶來的巨大益處,我們還是要繼續(xù)努力的。證明核聚變的可行性也許要不了這么久——我們也必須加快步伐,才能在計劃未來的能源時將核聚變納入考慮范圍之內(nèi)。

  與太陽能、天然氣與核裂變等其它發(fā)電方式不同,核聚變無法先用微縮模型進(jìn)行研發(fā)、再成比例地放大。核聚變在實驗階段就需要大規(guī)模開展,并且相關(guān)設(shè)備也需要花很久來準(zhǔn)備。但在接下來的一個世紀(jì)中,人類必須設(shè)法獲取充足、清潔的能源。如果不在核聚變這種最具前景的能源上想辦法,就未免太愚蠢了。

  但這件事做起來相當(dāng)困難:由于原子核均帶正電荷,因此會與彼此相斥。除非它們以極高的速度運(yùn)行,才能在相撞時融合在一起,釋放出我們需要的能量。這樣的過程在太陽上會自然而然地發(fā)生。但在地球上,我們需要用強(qiáng)大的磁鐵來控制住由帶電的氘、氚原子核與電子構(gòu)成的超高溫氣體,也就是我們所說的等離子體。等離子體的溫度極高,超過1億攝氏度。在這樣的高溫下,帶正電荷的原子核便能以超高速運(yùn)行,沖破正電荷產(chǎn)生的排斥力,與別的原子核融合在一起。

ITER采用了一種名叫“托塔馬克”(tokamak)的反應(yīng)裝置,其中的等離子體呈甜甜圈狀,受到強(qiáng)大的<a class=磁場約束。而該磁場的一部分是由等離子體中流動的電流產(chǎn)生的。" width="322" height="325"/>

  ITER采用了一種名叫“托塔馬克”(tokamak)的反應(yīng)裝置,其中的等離子體呈甜甜圈狀,受到強(qiáng)大的磁場約束。而該磁場的一部分是由等離子體中流動的電流產(chǎn)生的。

我們還需要從四個方面進(jìn)一步加強(qiáng)核聚變的優(yōu)勢:其一,在現(xiàn)有的物理和工程條件下,用計算機(jī)優(yōu)化核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計。  我們還需要從四個方面進(jìn)一步加強(qiáng)核聚變的優(yōu)勢:其一,在現(xiàn)有的物理和工程條件下,用計算機(jī)優(yōu)化核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計。

  原子核融合之后會形成兩個高能粒子——一個α粒子(氦原子的原子核)和一個中子。要想使等離子體達(dá)到如此高的溫度,就需要在核聚變反應(yīng)開始之前,向反應(yīng)器中提供大量能量。但反應(yīng)一旦開始,核聚變產(chǎn)生的能量就足以維持這一溫度,多余的熱量則可被我們用來轉(zhuǎn)化成可利用的電能。

  核聚變所需的燃料在大自然中比比皆是。例如,水中含有大量的氘,反應(yīng)器還可以將鋰轉(zhuǎn)化成氚。并且這些原料廣泛分布于世界各國,不會受當(dāng)?shù)刈匀毁Y源所限。核聚變是一種清潔的能量來源,不會產(chǎn)生溫室氣體,產(chǎn)物只有氦氣和中子。

  核聚變是一種安全的反應(yīng)過程,不可能像核裂變一樣發(fā)生失控。如果反應(yīng)出現(xiàn)異常,等離子體的溫度就會下降,核聚變反應(yīng)也就隨之停止了。正是由于核聚變具有這樣的特性,數(shù)十年來,人們才對其展開了不懈研究,并越來越被其所吸引。但核聚變雖然益處多多,對技術(shù)的挑戰(zhàn)也同樣不容小覷。核聚變領(lǐng)域取得的進(jìn)展主要可以從兩個方面進(jìn)行衡量。

  首先,我們對高溫等離子體有了更深入的了解??茖W(xué)家專門創(chuàng)立了等離子體這一新的物理領(lǐng)域,研究如何將等離子體限制在強(qiáng)大的磁場中,后來還掌握了對等離子體進(jìn)行加熱、使其保持穩(wěn)定、控制等離子體內(nèi)部擾動的能力。

  其次,相關(guān)技術(shù)也取得了巨大進(jìn)步。我們在磁體、電磁波源和粒子束領(lǐng)域都取得了重大突破,得以用它們來限制和加熱等離子體。此外我們還研發(fā)出了能夠承受等離子體極端高溫的材料。

  從這一過程中取得的進(jìn)步來看,核聚變商業(yè)化還是有望實現(xiàn)的。首屈一指的便是在實驗室中產(chǎn)生的核聚變能量:上世紀(jì)70年代,科學(xué)家在實驗室中產(chǎn)生的核聚變能量還只有幾毫瓦,僅僅持續(xù)了幾微秒;但到了90年代,普林斯頓等離子體實驗室產(chǎn)生的能量便達(dá)到了1千萬瓦特,歐洲聯(lián)合科研中心在1秒鐘里產(chǎn)生了的能量更是高達(dá)1600萬瓦特。

  如今,國際科學(xué)界正聯(lián)手在巴黎建造一處規(guī)模巨大的核聚變研究機(jī)構(gòu),即國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆(簡稱ITER,在拉丁語中意為“路”),它可以產(chǎn)生5億瓦特的熱核聚變能量,每次時間長達(dá)8分鐘。如果將這些能量轉(zhuǎn)化為電能的話,足以為15萬戶家庭供電。

  在此次實驗中,科學(xué)家將對可持續(xù)核聚變發(fā)電廠可能遇到的關(guān)鍵科學(xué)與工程問題進(jìn)行測試。

  ITER采用了一種名叫“托塔馬克”(tokamak)的反應(yīng)裝置,其中的等離子體呈甜甜圈狀,受到強(qiáng)大的磁場約束。而該磁場的一部分是由等離子體中流動的電流產(chǎn)生的。

  雖然ITER是被當(dāng)作研究項目來設(shè)計的,不準(zhǔn)備用來產(chǎn)生電能,但它產(chǎn)生的核聚變能量將高達(dá)給等離子體加熱所需的5千萬瓦能量的10倍。

  這是一次巨大的科學(xué)飛躍。在此次實驗中,等離子體加熱所需的大部分能量都來自于核聚變反應(yīng)本身。參與ITER項目的國家占了世界上一半的人口:中國,歐盟,印度,日本,俄羅斯,韓國和美國。此次項目就像一份強(qiáng)有力的國際聲明,彰顯了我們對實現(xiàn)核聚變的迫切需求和莊嚴(yán)承諾。

  接下來,我們的工作主要由兩方面組成。

  首先,我們必須繼續(xù)開展對托塔馬克的研究。要繼續(xù)促進(jìn)物理和工程領(lǐng)域的發(fā)展,讓等離子體可以維持?jǐn)?shù)月的穩(wěn)定狀態(tài)。我們還需要研發(fā)能夠高耐熱材料,可以在較長時間內(nèi)承受相當(dāng)于太陽表面溫度五分之一的熱量。此外,我們還要尋找反應(yīng)堆堆芯的屏蔽材料,吸收反應(yīng)釋放出的中子。

  其次,我們還需要從四個方面進(jìn)一步加強(qiáng)核聚變的優(yōu)勢:

  1)在現(xiàn)有的物理和工程條件下,用計算機(jī)優(yōu)化核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計。

  計算結(jié)果顯示,優(yōu)化后的設(shè)計應(yīng)為甜甜圈形狀,運(yùn)行起來非常穩(wěn)定,并且能自動運(yùn)作數(shù)月之久。在核聚變行業(yè)中,這種裝置叫做“仿星器”(stellarators)。

  2)研發(fā)磁力更強(qiáng)、體積更小的新型高溫超導(dǎo)磁鐵,從而減少核聚變反應(yīng)堆的體積和成本。

  3)用液態(tài)金屬取代固態(tài)金屬來約束等離子體。固態(tài)金屬在接觸等離子體時可能會破裂,而液態(tài)金屬不會,因此或許能解決這個棘手的問題。

  4)取消甜甜圈狀等離子體中間的空心設(shè)計,讓等離子體的形狀接近于球形。

  在采取上述做法之后,即使在強(qiáng)度稍弱的磁場中,實驗裝置也能照常運(yùn)行,或許還能降低反應(yīng)堆的大小和成本。

  如今,各國政府紛紛出資,支持上述兩方面的研究。取得的成果將惠及核聚變能源領(lǐng)域的所有研究工作,并將進(jìn)一步加深我們對宇宙中、以及工業(yè)中的等離子體的理解。而在過去的10至15年間,私營企業(yè)也加入了這一陣營,我們將不斷進(jìn)步,終有一日能獲得用之不竭、清潔安全的能源。


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